Folienkondensatoren für leistungselektronische Applikationen

Stromausfall in Hannover: 15.000 Haushalte saßen im Dunkeln – so lautete die Schlagzeilen im Sommer 2011. Die Ursache war unscheinbar: Ein bereits vor einiger Zeit ausgefallener Elko hatte eine Schaltbaugruppe lahmgelegt und bei einer Unstabilität im Stromnetz schließlich zum Blackout geführt, weil eben jene Baugruppe falsch reagierte. Ein Beispiel, zu welchen Konsequenzen ein Kondensatorausfall führen kann, der mit der Wahl eines geeigneteren Leistungskondensators unwahrscheinlicher gewesen wäre: Ein Folienkondensator ist deutlich langzeitstabiler, gerade bei hoher Belastung.

Bild 1: Der Aufbau eines Folienkondensators.Hy-Line

In Anlehnung an diesen Vorfall zeigt dieser Beitrag, dass hinter einem Kondensator mehr steckt, als nur seine Kapazität. Für das allgemeine Verständnis werden typische Einsatzfelder von Folienkondensatoren und der allgemeine Aufbau von zylindrischen Folienkondensatoren erläutert. Die korrekte Auswahl eines geeigneten Kondensators bedingt die Berücksichtigung einiger Aspekte, die man vielleicht auf den ersten Blick vernachlässigt. Dieser Artikel greift daher relevante Aspekte auf und diskutiert Inhalte wie Einsatz- und Betriebsbedingungen des Kondensators und den Zusammenhang zwischen Lebensdauer und FIT-Rate. Abschließend erfolgt die Diskussion von Vorteilen von Folienkondensatoren gegenüber Elkos.

Aufbau und elektrische Eigenschaften

Der klassische zylindrische Folienkondensator ist immer noch die zuverlässigste Bauform, da hier im Unterschied zu flachgepressten oder ovalen Wickeln keine Quetschungen mit Dielektrika-Schwächung auftreten und auch die Kühlung einfacher ist als bei einem Array prismatischer Bausteine. Der Zylinder setzt sich aus zwei Lagen flächenförmiger Elektroden zusammen, die mittels eines Dielektrikums aus Kunststofffolie isoliert sind. Diese Anordnung ist auf einen Wickelkörper aufgerollt und wird an den Stirnseiten kontaktiert (Bild 2). Das erzielt eine niederinduktive elektrische Kontaktierung des Wickels mit zugleich hoher Strombelastbarkeit. Der Füllstoff besteht aus einem Material wie Isoliergas, Polyurethanharz oder biologisch abbaubares Pflanzenöl. Er schützt den Wickel im abgedichteten Kondensatorgehäuse vor Korrosion und Alterung.

Die Kapazität wird maßgeblich durch das Dielektrikum und die verwickelte Fläche bestimmt. Die grundlegenden Zusammenhänge zur Kapazität lassen sich anhand eines Plattenkondensators verdeutlichen. In Abhängigkeit der drei Parameter ε, A und d ergibt sich die Kapazität C = ε · A / d. Dabei bezeichnet A den Flächeninhalt der von den Elektroden eingeschlossenen Fläche, d den Abstand der Elektroden zueinander und ε die Dielektrizitätskonstante. Die Kapazität wird demnach durch die Wahl des Dielektrikums und durch die mechanischen Abmaße A und d beeinflusst. Demnach existieren mehrere Freiheitsgrade für das elektrische und mechanische Design eines Kondensators. Hierbei verfolgt jeder Hersteller seine eigene Philosophie; das Unternehmen Electronicon präferiert beispielsweise den Aufbau von kurzen und dicken Kondensatoren: in einem kurzen Wickel entstehen dank des kürzeren Stromweges geringere Verluste, während der größere Durchmesser eine höhere Stromaufnahmefähigkeit begünstigt.

Bild 2: Die Electronicon-DC-Leistungskondensatoren PK16/E50.Hy-Line

MKP-Folienkondensatoren

Die Trägerfolie von MKP-Folienkondensatoren besteht aus Polypropylen und wird in der Regel unter Vakuum mit einem Mix aus Zink und Aluminium bedampft. Das Polypropylen dient zum einen als Träger für die aufgedampfte Elektrode und zum anderen als Dielektrikum. Electronicon besitzt eine eigene Bedampfung, wodurch ein hoher Qualitätsstandard gesichert ist und zugleich durch optimierte Herstellungsprozesse ein verlustarmes, zuverlässig selbstheilendes und langlebiges dielektrisches System hergestellt wird.

Die Überprüfung der Einsatzfähigkeit eines Kondensators in der Zielapplikation erfordert sowohl die Betrachtung des elektrischen Spannungs- und Stromprofils am Kondensator, als auch die Berücksichtigung von mechanischen und thermischen Randbedingungen. Für das elektrische Belastungsprofil sind die Effektiv- und Spitzenwerte von Spannung und Strom, sowie die Häufigkeit und Dauer während der Betriebszeit relevant. Zudem muss der Anwender die Flankensteilheit der Spannungsänderungen und die Stromstoßbelastung berücksichtigen. Zulässige Überspannungen liegen für Polypropylenkondensatoren bei 1,1…1,5 U_N, wobei dazu Häufigkeiten im Bereich von 30 % der Betriebszeit bis zu 100 ms beziehungsweise bis zu 1000 Mal zugelassen sind (IEC61071).

Ein Vergleich der elektrischen Anforderungen mit den Angaben in den Datenblättern des jeweiligen Kondensators muss stattfinden. Des Weiteren sollten die klimatischen Betriebsbedingungen wie Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit oder auch die mechanische Beanspruchung, Einschränkungen beim verfügbaren Bauraum oder besondere ökologische Anforderungen Berücksichtigung finden. Genaue Kenntnis sowohl der Applikation als auch der physikalischen Umgebungsbedingungen sind designrelevant und müssen bei der Auswahl stets mit einfließen.

Validierung je nach Einsatz- und Betriebsbedingungen

Ist die benötigte Kapazität für die Zielapplikation bekannt und ein geeigneter Folienkondensator unter Berücksichtigung des Spannungs- und Stromprofil ausgewählt, findet eine Überprüfung und Validierung des Kondensator hinsichtlich der Verlustleistung und thermischen Belastung statt. Das Betrachten der Verlustleistung unter thermischen Betriebsaspekten ist auf Grund von Verfügbarkeits- und Ausfallbetrachtungen relevant. Aus diesem Grund hier eine Kurzdarstellung des Zusammenhangs zwischen Verlustleistung und Temperatur am Kondensator:

Die Hotspot-Temperatur θ_Hotspot beschreibt die höchste Temperatur im Inneren des Kondensators. Üblicherweise bildet sich ein Hotspot bei etwa 2/3 der Kondensatorhöhe aus. Die messtechnische Erfassung dieser Temperatur ist im normalen Betrieb nicht möglich. Unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur θ_U schätzt man die Temperatur im Kondensatorinneren mit θ_Hotspot = θ_U +∆T ab. Der Temperaturunterschied ∆T zwischen θ_Hotspot und θ_U lässt sich mittels des Wärmewiderstandes R_th des Kondensators und der Kondensatorverlustleistung P_V zu ∆T = R_th · P_V bestimmen. Die Verlustleistung besteht im einfachsten Fall aus den ohmschen Verlusten P_VR und den dielektrischen Verlusten P_VD, die sich zu P_V = Û² · π · f₀ · C · tan δ₀ + I²_eff · R_S ergeben. Dabei bezeichnt Û den Scheitelwert des Wechselspannungsanteils, f die Frequenz, tan δ₀ den Verlustfaktor, I_eff den Effektivstrom und R_S den Serienwiderstand des Kondensators.

Lebensdauer versus FIT

Bild 3: Logarithmisches Diagramm zur Bestimmung der FIT-Rate.Hy-Line/Electronicon

Die FIT-Rate (Failures In Time) beschreibt die Ausfallwahrscheinlichkeit eines Bauteils während eines bestimmten Betrachtungszeitraums unter definierten Betriebsbedingungen. Die Ausfallwahrscheinlichkeit ist eine statistische Größe auf Grundlage der Normalverteilung, womit sich das statistische Ausfallrisiko während der Nutzungsdauer abbilden lässt. Dieser Ansatz betrachtet eine gewisse Losgröße und beschreibt letztendlich die Worst-Case-Ausfallwahrscheinlichkeit während der Nutzungsdauer dieses Loses. Der Parameter FIT berechnet sich mit FIT = λ · 10⁹, wobei λ die Ausfallrate beschreibt. Der MTBF-Wert (Mean Time Between Failures) gibt den Kehrwert der Ausfallrate (MTBF = 1 / λ) an. Die Anzahl der nach t funktionsfähigen Bauteilen N wird mit der Formel N = N₀ · e^-λt bestimmt, wobei N₀ die Losgröße zum Zeitpunkt t = 0 und t die Betriebsstunden bezeichnet.

Das Ausfallrisiko hängt maßgeblich von der Betriebsspannung und der Hotspot-Temperatur ab. Die resultierende FIT-Rate lässt sich logarithmischen Diagrammen (Bild 3) entnehmen. Das Diagramm verdeutlicht den Zusammenhang zwischen FIT-Rate, Betriebsspannung und Hotspot-Temperatur. Dementsprechend ist die gezielte Beeinflussung der FIT-Rate durch Variation der Betriebsbedingungen möglich. Eine von 50 bedeutet zum Beispiel, dass beim Betrieb von 10.000 Kondensatoren mit einem Ausfall von nicht mehr als 50 Kondensatoren über eine Betriebszeit von 100.000 Stunden (also 10⁹ Bauelementestunden) zu rechnen ist – Betrieb bei Nennspannung und einer Hotspot-Temperatur von maximalen 70 °C vorausgesetzt. Diese FIT-Rate gilt für einen definierten Betrachtungszeitraum (Electronicon betrachtet normalerweise 100.000 Stunden) und kann danach ansteigen. Sie trifft dabei weder eine Aussage über den zu erwartenden Zeitpunkt der Ausfälle, noch über die Gesamtlebensdauer des betrachteten Loses.

Vorteile gegenüber Elkos

Mit Elektrolytkondensatoren lässt sich eine relativ große Kapazität bei geringen Kosten realisieren. Demgegenüber stehen allerdings einige Nachteile wie: geringe Toleranz gegenüber Überspannungen und Stromüberlastung, hoher ESR und somit eine hohe Verlustleistung, hohe Leckströme, Gefahr von Austrocknung und hohe Kapazitätstoleranzen. Somit ist in vielen Applikationen der Einsatz von Folienkondensatoren vorteilhaft. Ihre hohe Zuverlässigkeit, geringe FIT-Rate, lange Lebensdauer, kompakte Bauform und niederinduktiver Anschluss bringen zahlreiche kommerzielle wie technische Vorzüge mit sich. Durch die hohe Wechselstrombelastungsfähigkeit von Folienkondensatoren lässt sich der Ersatz von Elkos in den überwiegenden Fällen mit einer deutlich geringeren Kapazität realisieren, wodurch sich sogar Platz- und Kostenvorteile ergeben können.

Die von Elkos bekannte Reihenschaltung zum Erhöhen der Spannungsfestigkeit und die zugleich benötigte Symmetrierschaltung zur Spannungsaufteilung können entfallen, da Folienkondensatoren direkt bis in den Kilovoltbereich in der benötigten Nennspannung verfügbar sind. Somit resultiert eine deutliche Minimierung des Schaltungsaufwands. Sollte die Kapazität eines einzelnen Kondensators nicht ausreichen beziehungsweise eine höhere Strombelastbarkeit gefordert sein, ist eine Parallelschaltung möglich. Zusammenfassend ergeben sich folgende Vorteile:

• Höhere Spannungsfestigkeit (Elkos zirka 450 V, MKP bis zu 50 kV)
• Höhere Stromfestigkeit (bis zu fünf Mal höher, Elko: I_rms ≈ 20 A / mF versus MKP: I_rms ≈ 100 A / mF)
• Minimieren der Verlustleistung (Polypropylenfolie: tan δ = 2 · 10^-4 und geringer Serienwiderstand R_S)
• Erhebliche Verringerung der Eigeninduktivität
• Niedrige Produktionstoleranzen (bis zu ±5 % gegenüber ±20 %)
• Eliminieren der Symmetrierwiderstände bei Reihenschaltung
• Geringe Temperaturabhängigkeit der Kapazität
• Hohe Durchschlagsfestigkeit (Polypropylenfolie bis zu 650 V/µm)
• Großer Temperaturbereich von -40 bis +85 °C
• Hohe Zuverlässigkeit (50 FIT bei 70 °C Hotspot-Temperatur, geringe Wartungskosten)
• Selbstheilendes Dielektrikum

Wie aufgezeigt, muss die Auswahl eines geeigneten Folienkondensators auf Grundlage der Kondensatoreigenschaften und der applikationsspezifischen Randbedingungen erfolgen. Hierbei ergeben sich einige Freiheitsgrade für den Entwickler hinsichtlich der Auswahl eines gewünschten Kondensators, so dass elektrische- und mechanische Anforderungen als auch die gewünschte Lebensdauer erfüllt wird. Die Hy-Line Power Components steht mit Applikationssupport zur Seite und unterstützt bei der Auswahl geeigneter Folienkondensatoren.

(rao)